4.Радиоактивность

4.1.Ядерные превращения

Способность атомов испускать излучение называют радиоактивностью. Она не связана с физико-химическим состоянием вещества, а является свойством самого атома. В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее число протонов в ядре Z соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Общее число протонов и нейтронов N в ядре А = Z + N называют массовым числом. Химические свойства атомов зависят только от заряда ядра, т.е. от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с равным числом Z, но разным числом А обладают одинаковыми химическими свойствами; такие атомы называют изотопами. Природные элементы обычно представляют собой смесь изотопов.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными. Радиус действия их - около 10–13 см. По интенсивности они намного мощнее электрических, магнитных и гравитационных сил.

В начале таблицы периодической системы элементов находятся “особо прочные” - стабильные и поэтому наиболее распространенные во Вселенной элементы, в ядрах которых число протонов равно числу нейтронов. Парное взаимодействие протонов и нейтронов удерживает такие ядра в стабильном состоянии. Ядра элементов, стоящих ближе к концу таблицы, переобогащены нейтронами; такие “тяжелые” ядра

нестабильны и испытывают радиоактивный распад с выделением энергии.

Естественные радиоактивные вещества испускают три вида лучей: α-лучи - тяжелые, положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/с и поглощаемые алюминиевой фольгой толщиной несколько микрометров. Этими частицами являются

ядра гелия (42He);

β-лучи - легкие, отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм. Этими частицами являются электроны;

40

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

γ-лучи - сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном полях. Природа γ-лучей - жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую волну, чем рентгеновское.

Радиоактивные превращения атомных ядер записываются в виде уравнения

Основные физические характеристики некоторых радионуклидов представлены в табл.4.1.

Среднее содержание естественных радиоактивных элементов в земной коре составляет 0,1% по весу.

Первое искусственное превращение ядра одного элемента в ядро другого было осуществлено в 1919 году Резерфордом. Было установлено, что ядерная реакция начинается в том случае, когда частицы входят в зону действия ядерных сил облучаемых ядер. В

качестве бомбардирующих частиц в экспериментах обычно использовались мелкие ядра - частицы (нейтроны, протоны, тритоны, α- частицы и др.) и γ-кванты. Заряженные частицы предварительно ускоряют до больших энергий, только при таком условии любая

заряженная частица может преодолевать кулоновское отталкивание ядра, которое она испытывает от ядерного взаимодействия. Нейтрон и γ- квант, не имеющие заряда, могут проникать в ядро при любых энергиях.

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Закон уменьшения количества

ядер с течением времени является общим для всех видов радиоактивных превращений и всех изотопов и носит название закона радиоактивного распада. Этот закон гласит: количество ядер данного изотопа, распавшихся за одну секунду, пропорционально количеству ядер, имеющихся налицо в данный момент времени, т.е. за одну секунду всегда

распадается одна и та же доля ядер данного изотопа независимо от их количества. Этот закон можно записать следующим образом:

величина, которая называется постоянной распада и измеряется в 1/с.

41

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Постоянная распада представляет собой долю ежесекундно распадающихся ядер. Для каждого вида радионуклидов λ имеет определенное значение.

42

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

4.2.Взаимодействие ионизирующих излучений

свеществом

Корпускулярные частицы ядерного происхождения (α-частицы, β- частицы, нейтроны, протоны), а также фотонное излучение (γ-кванты, рентгеновское и тормозное излучение) обладают значительной кинетической энергией. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту

энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой орбиты на более удаленную от ядра), а также на ионизацию атомов или молекул среды (т.е. отрыв одного или более электронов от атомов).

Упругое взаимодействие характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами

классической механики передать долю энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. Если это атом водорода, равный по массе нейтрону, то передается вся энергия, при этом нейтрон замедляется до энергий порядка долей электрон-вольта, а далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать ему количество энергии, достаточное, чтобы ядро “выскочило” из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды.

Аналогично взаимодействие с электроном и фотонов. Самостоятельно они не способны ионизировать среду, но выбивают из атома электроны, которые и производят ионизацию среды. Нейтронное и фотонное излучения относятся к косвенно-ионизирующим излучениям.

Заряженные частицы способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская тормозное излучение - разновидность фотонного излучения.

Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для

43

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com